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1 AUTOMATES PROGRAMMABLES INDUSTRIELS Questions sur oraux.be : 1. Fonctionnemen

1 AUTOMATES PROGRAMMABLES INDUSTRIELS Questions sur oraux.be : 1. Fonctionnement d’un API p.1 2. Langage Ladder = combinatoire Æ comment simuler le séquentiel ? 3. Diagramme Ladder 4. Grafcet (au moyen d’un exemple) p.12 5. Comment passer d’un Grafcet à un Ladder 6. Gemma 7. Questions de réflexion, il faut bien piger le cours apparemment, c’est pourquoi les réponses sont larges… Réponse (très large) à ces questions : 1. Fonctionnement d’un API = Contrôle et commande automatisés des processus industriels à l’aide des systèmes numériques de traitement d’information. • Contrôle : décrit la possibilité d’observer le mode environnant (à l’aide des capteurs, des interrupteurs, des boutons poussoirs, ...). L’environnement peut être analogique ou numérique (on parle des variables de type Tout Ou Rien - TOR). • Commande : reflète le fait que sur base des informations récoltées on aimerait avoir la possibilité de prise de décision et de l’action (commande des relais, des moteurs, des électrovalves, des signaux, etc.) Ö On parle des systèmes de production de connaissance (même si cette connaissance est très limitée) lorsque le système est capable de produire une action sur base d’une condition. • Automatisé implique: ๏ L’existence des faits : principalement la mesure des grandeurs physiques dans l’environnement proche ou lointain de l’automate ๏ L’existence d’un mécanisme d’inférence (des règles de déduction) fourni par un programme ๏ Le moyen d’action sur l’environnement • Processus industriels : pas uniquement les chaînes de fabrication automatisées, mais aussi les ascenseurs, les feux de circulation, le contrôle d’accès (portières automatiques) etc. • Systèmes de traitement d’information numériques : Depuis la Pascaline, en passant par la machine de Turing, EDVAC, ENIAC et autres … Classement en fonction de l’information qui décrit le support matériel : ๏ Programmables ๏ Configurables (ASICs, ASIPs, logique câblée, ...) ๏ Re-Configurables (FPGAs, DPGAs) p.9 2 API : système de traitement d’information numérique programmable (donc universel). • Appartient à la classe des systèmes numériques programmables à coté de microcontrôleurs, micro-ordinateurs ou des solutions hybrides. • Il s’agit donc des systèmes universels de traitement d’information numérique car ils intègrent la notion de programme. • Les APIs sont proches des ordinateurs classiques, mais ils présentent certaines différences importantes au niveau des exigences d’où la différence en conception matérielle, la programmation et le fonctionnement. 1. Structure matérielle : Schéma fonctionnel d’un API et les éléments constitutifs. 2. Programmation : Un aperçu des différents langages de programmation. 3. Principe de fonctionnement : Notion de l’image des entrées et des sorties. Principe de programmation et d’exécution de programme. 4. Différences par rapport à un ordinateur classique • Un API est une machine séquentielle. • L’état de l’automate : représenté par des variables internes, codées à l’aide des variables binaires, et sauvegardées dans le mémoire de l’unité centrale. • Pour les APIs, il existe des formalismes permettant de s'affranchir de la synthèse traditionnelle des systèmes séquentiels (ELEC-212 Circuit Logiques) et raisonner en termes de spécifications graphiques : d'où les langages de programmation spécifiques aux APIs. Æ Schémas capture de certaines grandeurs physiques action sur l’environnement 3 1. Structure matérielle : ENTREE : capteurs UNITE CENTRALE SORTIE : actionneurs ๏ Filtrage des entrées analogiques/numériques ๏ Adaptation des signaux ๏ Isolement opto-électronique (opto-coupleurs) a. Unité de traitement (UT): ๏ un µP (ou µC) relativement simple et pas ultra-performant ๏ opération arithmétiques / logiques de base (pas poussées) ๏ pour des opérations plus complexes, ajouter des extensions ๏ traitement en virgule flottante en option, co-processeurs etc. ๏ Isolement opto-électronique (opto-coupleurs) ๏ Amplification des sorties ๏ Relais électromagnétiques b. Mémoires: ๏ Registres - Mémoire interne à l’unité de traitement et au fonctionnement de l’automate (sens plus large que celui de µP) ๏ RAM - programmes/données de utilisateur/système ๏ ROM ๏ EEPROM - permettant la sauvegarde de(s) programme(s) c. Connexion à la console (PC,...) ๏ Configuration ๏ Programmation ๏ Debug 4 BUS DE COMMUNICATION PERIPHERIQUES SUPPLEMENTAIRES a. Bus d’entrées/sorties (bus fond de panier) Assure la communication entre l’automate proprement dit et le monde extérieur via les coupleurs. Sujet de standardisation, cependant un grand nombre de standards actuellement en jeu (standard VME p.e.). a. Coupleurs de communication Permettent aux APIs de dialoguer avec d’autres systèmes de commande ou avec des entrées/sorties déportées. b. Cartes d’extension permettant la réalisation des calculs complexes de façon efficace (efficace: le temps d’exécution). b. Bus système Assure la communication entre les différentes parties de l’automate proprement dit (communication entre l’unité centrale et les mémoires correspondantes p.e.). Généralement propriétaire. c. Interfaces pour le matériel informatique standard ๏ unités IO standards tels que claviers, écrans, écrans tactiles, imprimantes ๏ unités de stockages (HDD, DVD etc) ๏ cartes d'acquisition de données ... 2. Programmation : La programmation native (en langage machine) consiste en une liste d’instructions de type : si {condition} alors {affectation} ๏ condition : une expression Booléene ๏ affectation : concerne les variables internes et/ou les sorties • On souhaite programmer les APIs facilement et rapidement. • La Commission Electrotechnique Internationale (CEI) a proposé plusieurs standards (le premier standard a été publié en 1993) qui décrivent la spécification matérielle et les langages de programmation conseillés pour les APIs. • Langages de programmation de la norme … : 1. Liste des Instructions (Instruction List - IL) proche de l’assembleur 2. Texte structuré (Structured Text - ST) proche des langes Ada, C 3. Les langages graphiques de type schémas à relais (contacts) (Ladder diagrammes - LD) 4. Diagrammes des blocs fonctionnels (Functional Bloc Diagrams - FBD) dans lequel on peut classer le GRAFCET (dérivé des Réseaux de Petri) et diagrammes fonctionnels en séquence (Sequential function chart - SFC) Systèmes combinatoires Systèmes séquentiels 5 • Il est d’usage courant de mélanger les différents langages au sein d’un même programme en fonction des besoins. 3. Principe de fonctionnement : 1. En début de chaque cycle de scrutation, les valeurs des entrées sont sauvegardées dans la mémoire-image des entrées. Tout changement des variables à l’entrée sera donc ignoré par l’automate pour ce cycle. 2. Pendant l’exécution de programme, toute référence aux entrées est faite par rapport à la mémoire-image des entrées. 3. Les instructions qui modifient les sorties font référence à la mémoire-image des sorties (les vraie sorties ne sont pas encore modifiées à ce stade). 4. Lorsque le cycle de scrutation en cours est fini, les vraies sorties de l’automate sont mis à jour. 5. L’automate entame un nouveau cycle: acquisition des entrées, scrutation, mis à jour des sorties. • Les instructions du programme : exécutées dans l’ordre, l’une après l’autre, il n’y a pas d'ordonnancement d’instructions (si l’ordonnancement, alors tâches RTOS). • En fonction de la condition logique posée par une instruction, deux situations sont possibles: ๏ Soit la condition est vrai: l’instruction est exécutée, ๏ Soit elle est fausse: l'instruction n’est pas exécutée. • Lorsque l’automate a exécuté toutes les instructions du programme, il va recommencer un nouveau cycle en partant de la première instruction de programme. Ce cycle d’exécution est ininterrompu, ou alors pendant des périodes beaucoup plus courtes qu’un cycle de scrutation. • A chaque coupleur d’entrée correspond une zone de mémoire dans l’unité centrale, dite mémoire-image des entrées, dans laquelle on enregistre l’état de TOUTES les entrées. L’enregistrement des valeurs d’entrées se fait de façon synchrone à des moments bien précis, généralement avant le cycle de scrutation. 6 • Le même principe d’une mémoire-image est appliquée aux sorties : à chaque sortie correspond une zone de mémoire modifiée par le programme. La mise à jour des sorties physiques (en fait des coupleurs correspondants) se fait donc à la ﬁn d’une phase de scrutation. • Le principe de mémoire-image des entrées et des sorties : à l’aide d’une machine universelle séquentielle on peut émuler le fonctionnement concurrentiel (très important!!!) par rapport aux entrées et sorties exigé pour le contrôle des processus industriels (les actions différées sont tolérables, mais doivent être maîtrisées). • Il est donc possible de concevoir des APIs sur base des composants habituels des systèmes de traitement d’information numérique (CPUs et mémoires classiques dans des architectures de Von Neumann - une instance d’unité de traitement plus la mémoire). • La durée d’exécution d’une instruction ൎ1݊/ߤݏ : fonction du type de l'automate (en fonction de type de processeur et de sa vitesse). • La durée de la phase de scrutation ൎ݊כ 10݉ݏ : dépend de la longueur de programme. • Afin de pouvoir agir sur l’environnement de façon souhaitée, les constantes de temps de l’environnement et de programme doivent être pris en considération (on doit faire comme si c’était instantané). 1) Le temps de scrutation doit être assez grand pour permettre l'exécution de tout le programme en temps plus court que le temps de scrutation...vu qu’il doit y avoir un cycle d'exécution (effectue toutes les instructions du programme) par cycle de scrutation 2) il doit être le plus court possible étant donné qu’on est en temps réel même si c'est un temps réel généralement pas super contraignant. Mais bon on a kan même envie que quand on met quelque chose a l’entrée on n’attende pas 10 min avant qu’il réagisse! Donc généralement uploads/Industriel/ automates-programmables-industriels.pdf